电动汽车快速充电：整体概览
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电动汽车、电动动力总成和车辆电气化技术已经存在多年。事实上，第一辆电动汽车 (EV) 出现在19世纪后期。然而，近年来，人们对这种替代燃料技术的兴趣重生，尤其是在20世纪末。由于希望减少对气候的影响，该行业正在经历从内燃机 (ICE) 车辆的转变。基于ICE的车辆使用石油，这是一种日益稀缺的资源，严重污染环境，是导致气候变化的主要因素。 但三五年前，我们还没有看到电动汽车生态系统持续扩散的趋势，但行业并没有随着法规的出台、基础设施的部署的扩大而采取具体行动来推广插电式混合动力汽车(PHEV)和纯电动汽车(BEV)车型，来提高电动汽车进入广阔市场的可及性。 近期新能源汽车加速发展的最重要驱动因素之一是全球政府对汽车制造商实施的排放监管政策。在欧洲，自2020年开始实施的更严格措施可能会对汽车制造商产生严重影响。这些规定将在未来几年逐渐变得更加严格。所以，汽车制造商正在迅速行动，并增加他们的BEV车型，预测到2025年将有300款车型上路。 在消费者端，过去几年政府一直通过向xEV车主提供不同性质的好处来支持向替代燃料汽车的过渡。从免税到免费停车和充电服务，再到高占用车辆 (HOV) 车道。此外，如果我们回顾最近的过去和现在，COVID-19 一直是并将继续是孵化电动化趋势的加速器。 这些力量正在刺激电动汽车和插电式混合动力汽车的销售增长，尤其是现在在欧洲。此前，中国一直是新能源汽车销量领先的国家，但最近几个月，欧洲销量赶上了中国，达到了140 万台，同比增长 137%。中国和美国的数字分别徘徊在134万和33万左右。
图1. 2020-2024年预计的xEV销量。 快速电动汽车充电基础设施：需求强劲增长 除了促进采用xEV的直接激励措施和法规外，其他变化也在加强向电动汽车的过渡。从历史上看，向新车型发展一直存在潜在障碍，最突出的障碍是：里程焦虑、xEV 汽车的价格，以及充电时间。 通过增加电池容量和提高车辆的千瓦时/公里比率，有望解决里程焦虑问题。近年来，BEV 的价格正在稳步下降，并且越来越接近更广泛的大众市场类别，同时还增加了车型。 剩下的最后一个障碍是充电时间，其中慢速(有效功率最高22kW)和快速系统(22-400kW )共存。慢速充电系统已经在家庭、公共停车场和工作场所停车场相对广泛使用。不同的是，快速充电系统大多在公共场所、商业区或充电站中可用，因为它们需要专用的电力基础设施，这意味着大量投资。慢速充电最高额定功率可以在约 50-60 分钟内提供 100 公里的续航里程，但也无法轻松部署在家庭中。 在较低的功率端，当使用直接连接到标准插座的专用电缆时，家庭和私人可以达到1.4–3.7kW的速率，但充足100公里的续航里程需要大约5小时(在3.7kW) 。相反，快速充电系统可以在不到十分钟的时间内提供这个续航范围。慢速充电可能是一个可行的解决方案，但显然并非适用于所有人。 因此，有效且可持续地向电动汽车过渡将需要部署快速充电基础设施，以跟上道路上纯电动汽车的增长步伐。不仅在数量上，而且在额定功率方面。功率越高，充电时间越短，这是一个重要因素，因为电池容量不断增加，技术也在不断改进，从而实现更高的峰值功率(更快的充电速率)。预测 2020年至2027年快速充电器的销量复合年增长率为31.8%，同期新能源汽车市场规模的复合年增长率为39.8%。 交流或直流充电：界限模糊 在电动汽车领域，用于充电的电缆和连接器通常被称为“充电器”。带有专用硬件设备的交流 (AC) 插座，作为连接充电线和为车辆充电的接口被称为“充电器”。 交流充电和直流充电是简单的概念，由于上述原因可能会变得模糊。本质上，区别在于将电力传输到车辆充电端口(而不是电池)的方式。 在交流充电模式下，来自电网的交流电通过交流电源插座或充电站输送到汽车中。汽车将通过车载充电器 (OBC) 管理AC/DC电源转换 ，并向电池提供直流电压和电流。在直流充电模式下，AC-DC 转换是通过车外充电器在车外进行的。 直流充电额定功率范围很广，因为车辆外部的空间、重量和热限制要宽松得多。因此，直流充电可能从甚至低于11kW 到高达400kW。当然，落在这些范围内的用例可能会有很大不同。另一点值得注意的是，并非所有车辆都接受高直流功率水平的充电。现在大多数发布的车辆通常可以在直流模式下支持至少 50kW 的速率。
图2. 交流充电和直流充电概念图。 交流充电通常被称为“慢速充电”，因为它的功率最高通常为 22 kW，充电所需的时间较长。交流较高功率范围(11–22 kW)有时可能被称为“高功率交流充电”或“快速交流充电”，但没有实际定义。另一方面，那些额定功率为22kW甚至高达400kW的直流充电器被认为是“快速”。术语“超快”也被用于 50kW 以上的功率，但没有实际明确的界限或定义。 现在部署的最常见的直流功率范围为22-150kW，功率范围在200-350kW之间。快速和超快速直流充电器通常仅在可接入三相电源连接到电网的专用区域公开使用。迄今为止沿高速公路的充电站可能会有多个超快速充电器(>150kWeach)。此类设施需要来自电网的专用高压变压器。 充电率和次数 首先要，为了明确充电时间的概念，以60 kWh电池和100 kW直流充电器的车辆为例，可以得出以下结论： 充电时间=60kWh /100 kW = 36分钟 行驶里程=60 kWh/(18kWh/100km) = ~ 333公里 必须考虑到并非所有道路上的车辆都可以支持高达100kW的直流充电率，目前发布的车型之间的实际变化通常在50 kW以下和250 kW以上。同样，以kWh/100 km比率衡量的车辆效率也存在显着差异。而且充电过程中的平均功率不等于汽车接受的峰值功率，因为随着电池充电状态 (SOC) 的升高，额定值需要设置上限。 无论如何，上面的例子很有启发性，并提供了一个与ICE车辆进行比较的标准。以平均100 kWh的速度为EV充电需要36分钟才能提供333公里的续航里程，或者需要大约10分钟才能提供100公里。对于传统的ICE车辆，相同的操作需要3到5次才能完全实现。有了这些数字，市场正在迅速发展并推动更高功率的解决方案 ，充电功率可超过350 kW。 直流充电的标准和协议 为了规范和标准化交流和直流充电技术，并促进支持电动汽车的兼容EVSE生态系统的发展，业界已经制定了若干标准和IEC规范。这些尽可能全球化的框架可以帮助协会和行业开发协议和EVSE。这绝不是一个微不足道的话题，因为来自不同组织的多个标准已经在世界范围内共存。 基本标准包括：IEC-68151(瑞士)、IEC-62196(瑞士)、IEC61980(瑞士)、ISO1740 9:2020(瑞士)、SAEJ1772(美国)、GB/T18487(中国)、GB/T20234(中国)、GB/T27930(中国)。 如果研究借鉴这些标准的实际充电协议和生态系统，会发现全球有三个直流充电的扩展实施方案：CHAdeMO、组合充电系统 (CCS) 和特斯拉增压器。在中国，唯一标准和实施的协议是GB/T，也是该地区独有的。 直流充电有哪些重要标准? 国际电工委员会 (IEC) 制定了几个标准。 IEC61851指的是“电动汽车传导充电系统”，是 IEC 电动汽车充电系列的核心部分，侧重于电动汽车传导充电系统的不同主题，包括分别高达 1000V和1500V的交流和直流充电。 该标准定义了四种不同的充电“模式”，其中前三种“模式(1至3)”指的是交流充电，而“模式4”则是指直流充电。 IEC62196 定义了“插头、插座 - 插座、车辆连接器和车辆入口”，而 IEC61980 则定义了“EV 无线电源传输 (WPT) 系统”。 ISO17409:2020 是国际标准化组织 (ISO) 制定的电动汽车充电基础标准，是IEC61851的唯一补充。该文档针对IEC61851-1中定义的充电“模式2、3、4 ”的“电动道路车辆 — 传导功率传输 — 安全要求”。
图3. IEC-61851 中定义的充电“模式”，模式4定义了直流充电。 |
